Почему некоторые автомобили при резких маневрах вывешивают заднее колесо в поворотах?
MMt4 года назад
В комментариях под статьёй про Тойоту подняли тему вывешивания колеса при резких маневрах, и эта тема вызвала активное бурление. Некоторые товарищи, они себя узнают, договорились до того, что вывешивание колеса при резком маневре – это, цитирую, иначе как просчетом инженеров не назовешь, что заднее колесо, если бы оно было на дороге, цитирую, своим сопротивлением помогало бы автомобилю поворачивать и так далее. Я пару слов там черканул, но попросили поподробнее написать. На самом деле, я переоценил свой энтузиазм и желание написать этот пост, так как сев и накидав его план, и подумав о всех тех уточнениях, примерах и т.д., которые хотелось бы привести, я понял, что текста получится нереально много… а прочитает всё равно от силы два человека. Поэтому очень вкратце и конкретно по теме вывешивания, без ухода стороны (что сложно, так как в физике движения автомобиля всё очень взаимосвязано, и вся настройка, всё пилотирование автомобиля тоже полностью завязано на неё).
------------
То, что некоторые автомобили в предельных поворотах вывешивают колесо, видели многие. Некоторые считают, что это просчет инженеров, но на самом деле это их расчет. Чтобы понять, зачем автомобили настраиваются таким образом, нужно понимать два основных момента – что такое баланс автомобиля и как на баланс автомобиля влияет перераспределение веса между его колесами.
1. Баланс автомобиля.
Уверен, что абсолютно все слышали термины избыточная и недостаточная управляемость (поворачиваемость), и все понимают, что это такое. Но всё же, применительно к теме, повторюсь.
В любом случае необходимо понимать основу движения - первый закон Ньютона, он же закон инерции. Он постулирует существование инерциальных систем отсчета.
В контексте движения автомобиля по дуге поворота нам важно то, что в инерциальной системе отсчета тело покоится, если действие сил на него уравновешено, а так же то, что движущийся по дуге автомобиль – это неинерциальная система отсчета, и для перехода из инерциальной системы отсчета в соответствующим образом вращающуюся неинерциальную необходимо в уравнения ввести силу инерции. Подробнее – на самые первые страницы самого первого учебника по физике.
Из учебника следует, что автомобиль способен оставаться на дуге поворота, пока сила сцепления – сила трения покоя (отдельная тема, в пределе не тривиальная), которую генерируют шины, уравновешивает силу инерции, в данном случае центробежную силу, равную m*V^2/R (масса, скорость, радиус). Как только сила сцепления перестанет уравновешивать центробежную силу (из-за увеличения скорости, уменьшения радиуса и т.д.), автомобиль начнет соскальзывать наружу поворота.
Каждая шина развивает некую силу сцепления, и общее сцепление автомобиля – это сумма этих сил. Если (довольно грубо сформулировано, но зато наглядно) сумма сил сцепления задних колёс больше, чем сумма сил передних, и инерция начинает первой выносить наружу поворота переднюю ось, то говорят, что автомобиль испытывает недостаточную поворачиваемость (потерю управляемости, снос, understeer — другие названия этого явления). Если сумма сил сцепления задних колёс меньше, чем передних, и инерция вынос автомобиля наружу начинает с задней оси, то автомобиль испытывает избыточную поворачиваемость (потерю устойчивости, занос, oversteer).
Отсюда следует, что если автомобиль в ответ на поворот руля начинает скользить передней осью мимо поворота, а хочется, чтобы он хорошо слушался руля, инженерам необходимо либо увеличить сцепление на передней оси, либо уменьшить на задней. Первое предпочтительнее, но если возможности этого по инженерным, экономическим, маркетологическим причинам исчерпаны, то применяется второй путь. Это возможно сделать очень многими способами, и это и есть настройка баланса автомобиля.
Вывешивание заднего колеса – это один из способов уменьшить силу сцепления задней оси, чтобы привести баланс автомобиля к более приемлемому. (Причем часто это делается самым простым, удобным и очевидным способом – подбором стабилизаторов поперечной устойчивости.)
Вполне себе используется термин «перегрузить шину». Кстати, интересно то, что всё это можно увидеть на графиках телеметрии.
2. Влияние перераспределения веса на силу сцепления.
Почему вообще сила сцепления зависит от перераспределения веса? Ведь сила трения покоя, как мы знаем из школы, равна kN, где N – это сила реакции опоры, которая по модулю равна как раз весу. И если вес перераспределяется с одного колеса на другое, суммарный вес всё равно остаётся прежним, и, следовательно, остаётся прежней и сила сцепления всей оси.
Нет. И это интересный момент. Утверждение, что она прежней не остаётся, вы встретите в любой книге по основам движения автомобиля, например в книгах того же М. Горбачева. Но объяснения, почему это так, вы там не увидите, а само утверждение интуитивно непонятно и вызывает внутренний протест.
Вообще, F=kN, закон Амонтона — Кулона, которому мы так доверяем, на самом деле всего лишь эмпирические данные, закономерность, выведенная из экспериментов с некоторыми типами материалов. Для некоторых материалов он не выполняется.
Применяя его для эластомера, в частности для автомобильной шины, коэффициент k мы будем вынуждены превратить в функцию. В функцию от очень многих переменных, и, в частности, что очень интересно и интуитивно непонятно, от силы, с которой шина прижимается к асфальту.
В автомобильной физике это явление описывается термином tire load sensitivity. К сожалению, я не встречал его в отечественной литературе, так что вообще не уверен, что есть русский устоявшийся термин (как например slip angle мы называем устоявшимся термином «угол увода»), но перевести это можно как «чувствительность шины к нагрузке».
Если владеете немного английским, посмотрите вот этот ролик:
По-простому говоря, чем больше растёт «вес» шины, тем больше падает коэффициент сцепления. F=kN, и с ростом веса N падает коэффициент сцепления k. Отсюда сразу становится понятно, почему перераспределение веса на одно из колёс оси, при том, что общий вес оси не меняется, вызывает уменьшение сцепления всей оси – на том колесе, которое нагружается, сила сцепления увеличивается меньше, чем уменьшается на том, которое разгружается.
Как я уже говорил, это интуитивно совершенно непонятно, но таково свойство эластомеров.
(Глава Трение и механика контактного взаимодействия эластомеров, Попов В.Л. — М. : ФИЗМАТЛИТ, Механика контактного взаимодействия и физика трения.),
Это свойство шины, её «нелинейность» в процессе трения, лежит в основе множества эффектов, которые используются для постройки, настройки автомобилей и их пилотирования, о которых написаны десятки книг, статей и так далее.
3. Вывешивание колеса.
Вывешивание колеса – это частный и предельный случай перераспределения веса между колёсами данной оси. Полное, 100%-е перераспределение веса – очевидно, что если на одной оси колесо не касается поверхности, то весь вес оси приходится на то колесо, которое стоит на дороге.
Вывешивая заднее колесо и тем самым уменьшая силу сцепления задней оси, инженеры помогают автомобилю поворачивать.
Совершенно не каждый автомобиль вывешивает колесо, как уже сказал, это предельный случай. Но теми же стабилизаторами поворачиваемость автомобиля регулируется ровно по этому принципу – чем жестче на задней оси стабилизатор, тем больше автомобиль начинает опираться на внешнее колесо, тем меньше сцепления у задней оси и тем сильнее его поворачиваемость смещается в сторону избытка.
P.S. Несколько уточняющих замечаний, без раскрытия, но чтобы меня не обвинили в том, что я написал про частности, забыв про общее
а) У автомобиля есть два режима движения, назовем их динамически устоявшийся и переходный. Это не канонические названия, просто суть – когда автомобиль находится в процессе переноса веса (начинает поворачивать) и когда автомобиль закончил этот процесс (например, в пределе едет по дуге, в пределе тормозит и т.д.) – это две большие разницы.
б) Довольно бессмысленно говорить о балансе машины «вообще», правильнее говорить о балансе машины в данной конкретной фазе данного конкретного поворота. При данных конкретных действиях водителя, ещё можно заметить, но так как мы говорим о профессиональном управлении автомобилем, то действия пилота, если они не контраварийные, определены секундомером.
Вывешивают колесо обычно у машин, которые изначально склонны не очень хорошо поворачивать, конкретно на входе в повороты, предпочтительно медленные (в быстрых поворотах нужна машина стабильная, а в медленных – хорошо в них ввинчивающаяся). Но это как бы так, художество… я это просто для демонстрации принципа пишу.
в) И инженеры при постройке-настройке, и пилоты при пилотировании имеют широкие возможности по «регулировке» силы сцепления на колёсах в каждый конкретный момент времени. На постоянной работе с весом каждого из колёс, на балансе этих весов между собой построено и всё спортивное (и грамотное гражданское тоже, кстати) управление автомобилем, и его настройка.
г) К теме не относится, но светилось в комментариях, поэтому тоже уточню. Многие смешивают наклон автомобиля и перенос веса.
В процессе разгона, торможения, поворота автомобиля (то есть когда автомобиль испытывает ускорение) одни его колёса начинают «весить» больше, а другие – меньше. Тут я не буду много писать, вот ссылка на статью Михаила Подорожанского, где в первых же абзацах проиллюстрировано, почему при любых ускорениях происходит динамическое перераспределение веса - https://autoreview.ru/articles/kak-eto-rabotaet/motophysics .
Тут просто несколько замечаний.
Во-первых, там схема упрощена, так как в настоящем автомобиле, а не в монолитно-жесткой конструкции всё же силы действуют через систему рычагов. Но для понимания сути этого достаточно.
Во-вторых, про смешение наклона автомобиля и переноса веса. Наклон автомобиля – это визуальное следствие действия тех же сил, которые переносят вес с колеса на колесо, но это не причина и не индикатор этого переноса. В принципе, из рисунка это очевидно. У карта, который практически не наклоняется по причине отсутствия пружин, возникает тот же самый перенос веса. Геометрией подвески можно «регулировать» то, насколько автомобиль будет наклоняться в поворотах, и можно даже сделать автомобиль, который не будет наклоняться вообще (и такие автомобили даже делают, насколько я знаю), но от переноса веса его это не избавит. Минимизировать перенос веса возможно, уменьшив рычаг той силы, которая вызывает этот перенос. Именно для уменьшения этого рычага спортивные автомобили стараются делать с как можно более низким центром масс, расширяют им колею. Опять же, как это работает, очевидно из рисунка в статье Михаила Иосифовича. А на вопрос, зачем это делают, ответ вы тоже знаете - потому что перенос веса отнимает у машины сцепление.